기하평면벡터수능 기출심화 문제 (4점 중반 이후, 킬러 직전)

평행사변형 벡터

문제

그림과 같이 좌표평면 위에 AB=10\displaystyle {\overline{\mathrm{AB}}} = 10, AD=26\displaystyle {\overline{\mathrm{AD}}} = 2 \sqrt{6}인 평행사변형 ABCD{\mathrm{ABCD}}가 있다. 점 A{\mathrm{A}}를 지나고 선분 AD{\mathrm{AD}}에 수직인 직선 위를 움직이는 점 P{\mathrm{P}}3(ACPB)=2(PB+DB)3 \left( {\vec{\mathrm{AC}}} - {\vec{\mathrm{PB}}} \right) = 2 \left( {\vec{\mathrm{PB}}} + {\vec{\mathrm{DB}}} \right) 를 만족시킬 때, CP2\left| {\vec{\mathrm{CP}}} \right| ^{2}의 값을 구하시오. (\displaystyle \left( \begin{array}{l} \begin{matrix} \\ \end{matrix} \end{array} \right.단,DAB<π2)\displaystyle \left. \begin{array}{l} \angle {\mathrm{DAB}} < \frac{\pi}{2} \begin{matrix} \\ \end{matrix} \end{array} \right) [4점]

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124

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해설

평행사변형 ABCD{\mathrm{ABCD}}에서 AB=b{\vec{\mathrm{AB}}} = {\vec{b}}, AD=d{\vec{\mathrm{AD}}} = {\vec{d}}, AP=p{\vec{\mathrm{AP}}} = {\vec{p}}라 하자. 점 C{\mathrm{C}}는 평행사변형의 꼭짓점이므로 AC=b+d{\vec{\mathrm{AC}}} = {\vec{b}} + {\vec{d}}, DB=bd{\vec{\mathrm{DB}}} = {\vec{b}} - {\vec{d}}, PB=bp{\vec{\mathrm{PB}}} = {\vec{b}} - {\vec{p}} \cdots\cdots ㉠ 문제에 주어진 식 3(ACPB)=2(PB+DB)3 \left( {\vec{\mathrm{AC}}} - {\vec{\mathrm{PB}}} \right) = 2 \left( {\vec{\mathrm{PB}}} + {\vec{\mathrm{DB}}} \right) 에 ㉠을 대입하여 정리하면 3{b+d(bp)}=2{(bp)+(bd)}3 \left\{ {\vec{b}} + {\vec{d}} - \left( {\vec{b}} - {\vec{p}} \right) \right\} = 2 \left\{ \left( {\vec{b}} - {\vec{p}} \right) + \left( {\vec{b}} - {\vec{d}} \right) \right\} 3(d+p)=2(2bdp)3 \left( {\vec{d}} + {\vec{p}} \right) = 2 \left( 2 {\vec{b}} - {\vec{d}} - {\vec{p}} \right) 3d+3p=4b2d2p3 {\vec{d}} + 3 {\vec{p}} = 4 {\vec{b}} - 2 {\vec{d}} - 2 {\vec{p}} 5p=4b5d5 {\vec{p}} = 4 {\vec{b}} - 5 {\vec{d}} \therefore p=45bd\displaystyle {\vec{p}} = \frac{4}{5} {\vec{b}} - {\vec{d}} \cdots\cdots ㉡ 한편 점 P{\mathrm{P}}는 점 A{\mathrm{A}}를 지나고 선분 AD{\mathrm{AD}}에 수직인 직선 위의 점이므로 APAD=0{\vec{\mathrm{AP}}} \bullet {\vec{\mathrm{AD}}} = 0, 즉 pd=0{\vec{p}} \bullet {\vec{d}} = 0 ㉡을 대입하면 (45bd)d=0\displaystyle \left( \frac{4}{5} {\vec{b}} - {\vec{d}} \right) \bullet {\vec{d}} = 0 45(bd)d2=0\displaystyle \frac{4}{5} \left( {\vec{b}} \bullet {\vec{d}} \right) - \left| {\vec{d}} \right| ^{2} = 0, 45(bd)=d2\displaystyle \frac{4}{5} \left( {\vec{b}} \bullet {\vec{d}} \right) = \left| {\vec{d}} \right| ^{2} 이때 d=AD=26\displaystyle \left| {\vec{d}} \right| = {\overline{\mathrm{AD}}} = 2 \sqrt{6}이므로 d2=24\left| {\vec{d}} \right| ^{2} = 24이다. 45(bd)=24\displaystyle \frac{4}{5} \left( {\vec{b}} \bullet {\vec{d}} \right) = 24 bd=30\therefore {\vec{b}} \bullet {\vec{d}} = 30 구하고자 하는 값은 CP2\left| {\vec{\mathrm{CP}}} \right| ^{2}이므로 CP=APAC=(45bd)(b+d)=15b2d\displaystyle {\vec{\mathrm{CP}}} = {\vec{\mathrm{AP}}} - {\vec{\mathrm{AC}}} = \left( \frac{4}{5} {\vec{b}} - {\vec{d}} \right) - \left( {\vec{b}} + {\vec{d}} \right) = - \frac{1}{5} {\vec{b}} - 2 {\vec{d}} CP2\left| {\vec{\mathrm{CP}}} \right| ^{2}=(15b2d)(15b2d)\displaystyle = \left( - \frac{1}{5} {\vec{b}} - 2 {\vec{d}} \right) \bullet \left( - \frac{1}{5} {\vec{b}} - 2 {\vec{d}} \right) =125b2+45(bd)+4d2\displaystyle = \frac{1}{25} \left| {\vec{b}} \right| ^{2} + \frac{4}{5} \left( {\vec{b}} \bullet {\vec{d}} \right) + 4 \left| {\vec{d}} \right| ^{2} 이때 b=AB=10\displaystyle \left| {\vec{b}} \right| = {\overline{\mathrm{AB}}} = 10이므로 CP2\left| {\vec{\mathrm{CP}}} \right| ^{2}=125×102+45×30+4×24\displaystyle = \frac{1}{25} \times 10 ^{2} + \frac{4}{5} \times 30 + 4 \times 24 =4+24+96=124= 4 + 24 + 96 = 124

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